王曉東,賈 川,趙愛華
(1. 上海老港固廢綜合開發(fā)有限公司,上海 200237;2. 上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司,上海200232;3.上海市環(huán)境工程設(shè)計(jì)科學(xué)研究院有限公司,上海 200232;4.上海城投(集團(tuán)) 有限公司,上海 200020)
生活垃圾無(wú)害化設(shè)施建設(shè)是上海超大城市精細(xì)化管理的重要抓手,也是破解垃圾圍城、建設(shè)生態(tài)之城的關(guān)鍵舉措。2017 年,上海生活垃圾產(chǎn)生量已達(dá)7.430 7×106t[1],人均生活垃圾產(chǎn)生量307 kg/(人·a)。根據(jù)上海市綠化市容“十三五”規(guī)劃,到“十三五”期末,上海要基本實(shí)現(xiàn)原生垃圾零填埋,規(guī)劃新增焚燒能力11 000 t/d[2]。目前,規(guī)劃的5 個(gè)新增焚燒項(xiàng)目已全部建成投產(chǎn),焚燒能力達(dá)19 300 t/d。隨著各焚燒設(shè)施相繼建成投產(chǎn),焚燒飛灰的處理處置問題日漸突出,如何進(jìn)一步規(guī)范飛灰的去向、解決焚燒廠二次污染的“最后一公里”問題,成為市局主管部門和行業(yè)人員新的關(guān)注點(diǎn)。
上海將焚燒飛灰嚴(yán)格納入危險(xiǎn)廢物管理框架內(nèi)進(jìn)行監(jiān)管,除了環(huán)保達(dá)標(biāo)方面的基本要求外,對(duì)其產(chǎn)生、暫存、預(yù)處理、運(yùn)輸?shù)雀鳝h(huán)節(jié)均嚴(yán)格按照危險(xiǎn)廢物相關(guān)規(guī)定予以管理,因此,老港等焚燒項(xiàng)目一直被列為重點(diǎn)產(chǎn)廢單位,也相應(yīng)成為上海歷年危險(xiǎn)廢物規(guī)范化管理的重點(diǎn)檢查對(duì)象。
2012 年12 月,上海市環(huán)保局、綠化市容局印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)本市生活垃圾焚燒飛灰環(huán)境管理的指導(dǎo)意見》(滬環(huán)保防〔2012〕501 號(hào)),提出擴(kuò)建嘉定危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)、啟用老港綜合填埋場(chǎng)飛灰填埋庫(kù)區(qū)、新建崇明生活垃圾填埋場(chǎng)危險(xiǎn)廢物填埋庫(kù)區(qū),以滿足上海焚燒飛灰安全處置需求。同時(shí)提出飛灰預(yù)處理技術(shù)要求,涵蓋了處置規(guī)模、密閉運(yùn)輸、浸出實(shí)驗(yàn)室、檢測(cè)、轉(zhuǎn)移聯(lián)單、管理制度、應(yīng)急預(yù)案等10 個(gè)方面。
2016 年7 月,市環(huán)保局、綠化市容局發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)本市生活垃圾焚燒飛灰環(huán)境管理的通知》(滬環(huán)保防〔2016〕271 號(hào))。根據(jù)此要求,上海市所有生活垃圾焚燒設(shè)施均應(yīng)在焚燒廠內(nèi)配套建設(shè)飛灰預(yù)處理設(shè)施,江橋、御橋項(xiàng)目要求結(jié)合設(shè)備大修,于2016 年11 月底前配套飛灰預(yù)處理設(shè)施。所有焚燒項(xiàng)目飛灰均執(zhí)行GB 18598—2001 危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn),廠內(nèi)穩(wěn)定化預(yù)處理后相應(yīng)送至老港綜合填埋場(chǎng)飛灰填埋庫(kù)區(qū)(除崇明焚燒廠外其余所有焚燒項(xiàng)目) 或崇明生活垃圾填埋場(chǎng)飛灰?guī)靺^(qū)(崇明焚燒廠) 安全填埋。
2019 年5 月,上海市廢棄物管理處明確指出:每批次穩(wěn)定化飛灰應(yīng)有檢測(cè)報(bào)告證明達(dá)標(biāo),原則上每天螯合的飛灰視為1 個(gè)批次。
目前,上海市各焚燒設(shè)施已基本完成廠內(nèi)飛灰浸出實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和人員配置,基本具備廠內(nèi)自測(cè)條件和能力。除老港項(xiàng)目外,均采用噸袋打包運(yùn)輸,以控制運(yùn)輸過(guò)程的揚(yáng)塵和二次污染。
目前,上海已建成并投產(chǎn)生活垃圾焚燒設(shè)施10 座(市屬設(shè)施3 座、區(qū)屬設(shè)施7 座),焚燒能力19 300 t/d,如表1 所示。
表1 上海已建成焚燒設(shè)施
2017 年,上海全年焚燒量合計(jì)3.608 1×106t,占當(dāng)年無(wú)害化處理總量的48.6%[1],人均焚燒量達(dá)149.22 kg/(人·a),遠(yuǎn)超全國(guó)67.06 kg/(人·a) 的整體水平,低于江蘇、浙江、海南和北京。與歐盟相比,上海人均焚燒量略超出歐盟2017 年133 kg/(人·a) 的水平,但和芬蘭(299 kg/(人·a))、丹麥(413 kg/(人·a)) 等國(guó)家比尚有較大差距。從焚燒占比來(lái)看,上海已接近芬蘭(58.6%)、丹麥(52.9%)[3]。
飛灰產(chǎn)生量受入爐垃圾特性、焚燒工藝、煙氣輔料投加量等影響較大,一般流化床的氣灰產(chǎn)生量約占焚燒量的20%,爐排爐焚燒飛灰產(chǎn)生量約占焚燒量的2%~5%[4]。根據(jù)2017 年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),上海焚燒飛灰產(chǎn)生量合計(jì)達(dá)7.9×104t,各焚燒項(xiàng)目飛灰產(chǎn)生量年均值在1.13%~5.45%,全年總產(chǎn)生量2.20%(入廠比,原灰產(chǎn)生量按照填埋量的80%估算)。
根據(jù)滬環(huán)保防〔2016〕271 號(hào)文要求,目前上海有老港、崇明2 座生活垃圾填埋場(chǎng)允許接收經(jīng)穩(wěn)定化預(yù)處理的生活垃圾焚燒飛灰,均為分區(qū)單獨(dú)填埋,執(zhí)行GB 18598—2001 入場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)。其中,除崇明生活垃圾焚燒廠飛灰送至崇明填埋場(chǎng)外,其余上海焚燒項(xiàng)目均送至老港進(jìn)行填埋。各填埋終端均取得危險(xiǎn)廢物經(jīng)營(yíng)許可資質(zhì),不執(zhí)行危險(xiǎn)廢物名錄的豁免政策。
上海某焚燒設(shè)施處理規(guī)模為3 000 t/d,配置750 t/d×4 機(jī)械爐排爐焚燒爐+70.6 t/h×4 余熱鍋爐+30 MW×2 凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組,煙氣凈化系統(tǒng)采用爐內(nèi)噴尿素+減溫塔+消石灰噴射+活性炭噴射+袋式除塵器+濕式洗滌塔+煙氣再熱工藝,煙氣排放指標(biāo)滿足歐盟2000 標(biāo)準(zhǔn)。
飛灰穩(wěn)定化系統(tǒng)處理對(duì)象是煙氣凈化系統(tǒng)(減溫塔和布袋除塵器) 收集的焚燒飛灰,處理規(guī)模64 t/d,采用的飛灰穩(wěn)定化工藝為“有機(jī)螯合劑+水”,穩(wěn)定化后的飛灰滿足GB 18598—2001 規(guī)定的入場(chǎng)要求后,由具有資質(zhì)的專有車輛運(yùn)至老港綜合填埋場(chǎng)的飛灰專用庫(kù)區(qū)進(jìn)行安全填埋。磷酸鹽工藝和水泥工藝系統(tǒng)僅作為備用,正常運(yùn)行時(shí)暫不啟用。飛灰穩(wěn)定化系統(tǒng)處理工藝流程如圖1 所示。
圖1 上海某焚燒設(shè)施飛灰穩(wěn)定化系統(tǒng)工藝流程
3.1.1 飛灰樣品采集
試驗(yàn)原灰樣品采集自本焚燒設(shè)施全部焚燒線穩(wěn)定運(yùn)行期間的飛灰稱重斗,是4 條煙氣凈化線混合得到的飛灰,穩(wěn)定化后飛灰(螯合灰) 采集自飛灰穩(wěn)定化車間序批式混煉機(jī)出口,原灰和螯合灰為同一批次樣品,當(dāng)日螯合劑投加比為原灰的4.1%。
3.1.2 元素組分分析
采用SHIMUDZU 公司的EDX-7000 能量色散型X 射線熒光分析儀(XRF) 分析飛灰樣品的原始組分,Rh 靶X 射線管,最大工作電壓50 kV,最大電流1 mA,最大功率50 W。
3.1.3 浸出毒性測(cè)試
按照GB 18598—2001 規(guī)定的HJ 557—2010 固體廢物浸出毒性浸出方法水平振蕩法對(duì)飛灰進(jìn)行浸出預(yù)處理,按照10∶1 的液固比加入浸提劑(水),在室溫下水平振蕩8 h 后靜置16 h,用微孔濾膜過(guò)濾并收集浸出液。
按照GB 16889—2008 生活垃圾填埋場(chǎng)污染物控制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的HJ/T 300—2007 固體廢物 浸出毒性浸出方法醋酸緩沖溶液法對(duì)飛灰進(jìn)行浸出預(yù)處理,按照20∶1 的液固比加入浸提劑(用試劑水稀釋17.25mL的冰醋酸至1L,pH 為2.64±0.05),翻轉(zhuǎn)振蕩(18±2) h 后用微孔濾膜過(guò)濾并收集浸出液。
對(duì)于收集到的不同方法制得的浸出液,Pb、Cd、Ni、Cu、Zn、Ba、Be、Cr 元素濃度采用等離子發(fā)射光譜法,pH 采用玻璃電極法。
3.2.1 物理表征
生活垃圾焚燒飛灰外觀呈灰色、灰白色粉末,含水率僅為0.7%。從飛灰產(chǎn)生量來(lái)看,該焚燒設(shè)施飛灰產(chǎn)率較低,2017 年月均飛灰產(chǎn)率為0.98%~1.26%(入廠比) 和1.17%~1.43%(入爐比),如圖2 所示。
圖2 不同焚燒設(shè)施飛灰產(chǎn)率(入爐比)與消石灰投加量關(guān)系
與其他焚燒項(xiàng)目相比,飛灰產(chǎn)率明顯較低,其原因可能與該項(xiàng)目首次采用干法+濕法組合煙氣工藝有關(guān),采用濕法工藝后,消石灰的消耗量明顯減少,因此被布袋除塵器捕集的反應(yīng)產(chǎn)物也相應(yīng)減少,其飛灰產(chǎn)生量明顯低于干法、半干法焚燒設(shè)施。
3.2.2 元素組分分析
元素組分測(cè)試結(jié)果顯示,對(duì)于填埋入場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)所關(guān)注的重金屬元素,Zn、Pb 的含量最高,可達(dá)8 847.8 mg/kg 和2 936.7 mg/kg(圖3)。這是由于重金屬在焚燒爐內(nèi)的遷移分布受焚燒爐溫度直接影響,當(dāng)焚燒爐內(nèi)溫度由500~650 ℃升至800~900 ℃時(shí),Cd、Pb、Sn 和Zn 的蒸發(fā)率大幅提高,而Cu、Co、Mn 和Ni 等高沸點(diǎn)重金屬元素幾乎不受影響[5],因此Pb、Zn 大量遷移到飛灰中。
圖3 飛灰樣品重金屬元素含量
除了重金屬元素外,飛灰中含量最高的宏量元素是Ca 和Cl,這是由于該焚燒設(shè)施在去除煙氣酸性氣體的過(guò)程中,在布袋除塵器前投加了一定量的消石灰(Ca(OH)2),導(dǎo)致飛灰中Ca 含量較高;而Cl 元素來(lái)自于生活垃圾本身含有的塑料制品、有機(jī)組分[6],焚燒過(guò)程中揮發(fā)冷凝或生成HCl 與消石灰反應(yīng),最終進(jìn)入到飛灰中。不同的煙氣凈化工藝直接影響元素的含量和組成[7]。
3.2.3 重金屬浸出毒性
按照水平振蕩法(HJ 557—2010) 和醋酸緩沖溶液法(HJ/T 300—2007) 分析原灰和螯合灰樣品中各種重金屬的浸出濃度,結(jié)果如表2~表3 所示。經(jīng)水平振蕩法浸出時(shí),原灰樣品Pb 浸出濃度達(dá)到127.2 mg/L,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出安全填埋限值(5 mg/L)。與上海同類焚燒設(shè)施相比,該設(shè)施飛灰重金屬浸出濃度顯著較高(圖4),其原因:一方面該廠處理的是上海中心城區(qū)的生活垃圾,其分類狀況顯著優(yōu)于郊區(qū),因此入廠生活垃圾熱值較高,每年都在不斷提高,導(dǎo)致焚燒爐超溫嚴(yán)重,特別是燃燒室,經(jīng)常出現(xiàn)1 100 ℃以上的超溫,加劇了Pb向飛灰中的遷移;另一方面,該設(shè)施采用干法+濕法組合煙氣工藝,消石灰投加量明顯低于同類項(xiàng)目,導(dǎo)致飛灰產(chǎn)生量很低,飛灰中的Pb 元素得到富集,從而提高了浸出濃度。
表2 HJ 557—2010 浸出毒性結(jié)果
表3 HJ/T 300—2007 浸出毒性結(jié)果
圖4 不同焚燒設(shè)施飛灰Pb 浸出毒性對(duì)比
醋酸浸出結(jié)果顯示,對(duì)于同一個(gè)樣品,不同浸出方式帶來(lái)的影響較大,以Pb 元素為例,醋酸浸出濃度為45.1 mg/L,水平振蕩浸出濃度明顯高于醋酸浸出濃度,不同設(shè)施、不同時(shí)間、不同地區(qū)的飛灰樣品已證實(shí)了該結(jié)果,因此不能單純靠浸出數(shù)值來(lái)評(píng)估特定飛灰樣品的處理難易程度,必須明確浸出方法綜合判斷。
無(wú)論何種浸出方式,飛灰浸出液都呈現(xiàn)強(qiáng)堿性,這是由于為了保證煙氣達(dá)標(biāo)排放,在布袋除塵器前通常投加過(guò)量的消石灰,反應(yīng)剩余的部分則隨煙氣顆粒物被布袋捕集,形成飛灰,因此飛灰中含有大量的消石灰成分,導(dǎo)致整體呈強(qiáng)堿性。Pb 的浸出過(guò)程主要表現(xiàn)為吸附/沉淀機(jī)制[8],該過(guò)程對(duì)pH 較為敏感,Pb 作為兩性金屬,在強(qiáng)堿性條件下更容易浸出到外界環(huán)境。
Pb 浸出濃度高為達(dá)標(biāo)處理帶來(lái)了一定難度,為此,該設(shè)施在螯合劑遴選、投加方式、混煉均勻度等方面進(jìn)行了持續(xù)改進(jìn),確保螯合后飛灰滿足GB 18598—2001 的入場(chǎng)要求。測(cè)試結(jié)果顯示,投加4.1%的有機(jī)螯合劑后,飛灰樣品穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
1) 2017 年,上海生活垃圾焚燒量已達(dá)3.608 1×106t,飛灰產(chǎn)生量達(dá)到7.9×104t。上海正不斷加強(qiáng)飛灰預(yù)處理、運(yùn)輸和處置的全過(guò)程監(jiān)管。
2) 該焚燒設(shè)施的飛灰重金屬以Pb 為主,且Pb 浸出毒性顯著高于同類其他設(shè)施,HJ 557—2010 浸出預(yù)處理?xiàng)l件下達(dá)到127.2 mg/L,其原因主要包括爐溫升高促進(jìn)Pb 向飛灰的遷移和濕法煙氣工藝帶來(lái)的飛灰富集作用。
3) 不同浸出預(yù)處理方法對(duì)浸出結(jié)果影響很大,同一樣品在水平振蕩法(水浸出) 下浸出濃度顯著高于醋酸緩沖溶液法浸出濃度。
4) 投加4.1%的有機(jī)螯合劑后,該飛灰樣品可穩(wěn)定滿足GB 18598—2001 和GB 16889—2008 的入場(chǎng)要求,可入場(chǎng)填埋。